(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気システムからの吸入空気を排気ガス再循環システムからの排気ガスと混合して混合物流を生成するためのミキサ組立体であって、
前記吸気システムに流体連通された入口を有する吸気導管と、
前記排気ガス再循環システムに流体連通された入口を有するミキサと、を備え、
前記ミキサは前記吸気導管に少なくとも部分的に配置され、
前記ミキサは、外側パイプと、前記外側パイプ内に配置された分割部と、を備え、
前記分割部は、第１の排気ガス通路を提供し、かつ、該分割部の夫々の側部に第２の排気ガス通路及び第３の排気ガス通路を画成し、
前記第１の排気ガス通路は、前記吸気導管内の第１の高さに出口を有し、
前記第２の排気ガス通路は、前記吸気導管内の第２の高さに出口を有し、
前記第３の排気ガス通路は、前記吸気導管内の第３の高さに出口を有し、
前記分割部は前記ミキサのほぼ中心に配置された第１通路を形成し、前記分割部は前記外側パイプと二箇所で接触し、出口を有する第２通路及び第３通路を画成し、
前記第１出口と、前記第２出口と、前記第３出口とは、前記ミキサの長さに沿って異なる高さに配置されており、
前記第１及び第２出口は、前記出口のより高い端部は前記出口のより低い端部よりも前記吸気導管の前記入口に近くなるように傾斜させられている、
ことを特徴とするミキサ組立体。
【請求項２】
前記吸気導管は全体が９０度湾曲部を有する、
請求項１に記載のミキサ組立体。
【請求項３】
前記外側パイプの一部は、前記外側パイプを通って流れる前記排気ガスの一部が前記分割部に向けられるように、前記第１通路を取り囲む領域に沿って前記分割部に向って内方に傾斜されている、
請求項１に記載のミキサ組立体。
【請求項４】
前記分割部は翼形状の断面を有する、
請求項１に記載のミキサ。
【請求項５】
前記第１通路は第１出口を有し、前記第２通路は第２出口を有し、前記第３通路は第３出口を有し、前記第１出口は前記第２出口の最大高さよりも高い最大高さを有し、且つ前記第２出口は前記第３出口の最大高さよりも高い最大高さを有する、
請求項１に記載のミキサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃エンジンに関する。特に、本発明は排気ガスを内燃エンジンへの新気と混合するための流体ミキサ組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
大部分の内燃エンジンは、いくつかのタイプの排気制御装置及びシステムを有する。一般的な制御システムとしては、エンジンの排気システムから吸気システムに排気ガスを再循環させる排気ガス再循環（EGR）システムがある。高圧EGRシステムは、排気ガスをタービンの上流からコンプレッサの下流に再循環させるのが一般的である。他のEGRシステムは、低圧でガスを再循環させ、低圧システムと呼ばれる。高圧EGRシステムを有するエンジンは、EGRガス及び吸入空気を混合し混合物を形成する合流部を空気吸気システム内に有する。排気ガス及び吸入空気の混合物は、エンジン作動中に消費される。
【０００３】
空気及び排気ガスの均質な混合物を内燃エンジンの各シリンダに供給することは、作動に有利である。各シリンダの排出物及び出力は一様なので、均質な混合物が、エンジンの効率的な作動を促進する。各シリンダに供給される混合物の均質性は、広範囲のエンジン作動にわたり、エンジンが多量のEGRで作動するための特別重要な設計パラメータになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来考案された多くの方法は、EGRシステムを有するエンジンのために排気ガスと吸入空気との混合を改良するよう意図されていた。これらの方法は、エンジンのシリンダに供給される混合物の均質性を改良するために、吸入空気、排気ガス、又は吸入空気及び排気ガスの混合物で乱流を増大させる流動障害を使用するのが典型的である。そのような方法は、典型的にはかなり効果的ではあるけれども、吸入空気又は吸気混合物で乱流を増大させる結果、エンジンの吸気システムで圧力損失が増大するというデメリットを有する。エンジンの吸気システムで圧力損失が増大すると、エンジン効率が低下し、燃料消費が増大する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
排気ガス再循環システムからの排気ガスと吸気システムからの吸入空気との混合して混合物流を生成するミキサ組立体は、吸気システムに流体連通された入口を有する吸気導管を含む。ミキサ組立体は、また、排気ガス再循環システムに流体連通された入口を有するミキサを含む。ミキサは、吸気導管に少なくとも部分的に配置され、及び外側パイプと外側パイプ内に配置された分割部を含む。分割部は、少なくとも１つの第２通路から第１通路を分割し、第１通路は第１の高さである出口を有し、及び第２通路は第２の高さである出口を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、内燃エンジンに結合された排気ガス再循環（EGR）システムを有する内燃エンジンを作動させる装置及び方法を説明する。後述するEGRシステムは、排気ガスと吸入空気を混合して混合物を生成するミキサを含むのが好ましい。この混合物は、複数のシリンダ内で燃焼によりエンジンによって消費される。
【０００７】
乗物で取付けられた、EGRシステムを有するエンジン１００のブロック図が、図１に示される。エンジン１００は、タービン１０４及びコンプレッサ１０６を有するターボチャージャ１０２を含む。コンプレッサ１０６は、エアクリーナ即ちフィルタ１１０に接続された空気入口１０８、及びCAC-高温通路１１６を介して給気冷却器（CAC：charge air cooler）１１４に接続された給気空気出口１１２を有する。CAC１１４は、CAC-低温通路１２０を介して吸気スロットルバルブ（ITH：intake throttle valve）１１８に接続された出口を有する。ITH１１８は、エンジン１００の吸気システムと流体連通する吸気導管１２２に接続される。吸気システム１２４の分岐管は、エンジン１００のクランクケース１２８に含まれる複数のシリンダ１２６の各々に流体連通されている。
【０００８】
エンジンの複数のシリンダ１２６の各々は、参照番号１３０で全体が示されている、排気システムに接続されている。エンジン１００の排気システム１３０は、タービン１０４の入口１３１に接続されている。排気管１３２が、タービン１０４の出口に接続されている。マフラー、触媒、微粒子フィルタ等、の他の部品が、排気管１３２に接続されてもよく、単純化の目的のためここでは図示しない。
【０００９】
エンジン１００は、参照番号１３４で全体が示されている、EGRシステムを有する。EGRシステム１３４は、排気ガスを流すことができるように互いに直列に接続されたEGRクーラー１３６及びEGRバルブ１３８を含む。EGRクーラー１３６は、EGRガス供給通路１４２を介して排気システム１３０と流体連通している。EGRバルブ１３８は、冷却EGRガス通路１４８に配置され冷却EGRガス通路１４８は吸気導管１２２の一部である合流部１４６と流体連通している。ミキサ１５０は、合流部１４６に配置され、冷却EGRガス通路１４８と流体連通し、及び吸気導管１２２を冷却EGRガス通路１４８と接続している。
【００１０】
エンジン１００の作動中、空気は、フィルタ１１０で濾過され、及び入口１０８を通ってコンプレッサ１０６に入り圧縮される。圧縮、即ちチャージされた、空気は、出口１１２を通ってコンプレッサ１０６を出て、ITH１１８を通過する前にCAC１１４で冷却される。ITH１１８からの空気は、ミキサ１５０を通って合流部１４６で冷却EGRガス通路１４８からの排気ガスと混合されて混合物を生成する。混合物は、吸気パイプ１２２に続くミキサ１５０のあと吸気システム１２４を通り、シリンダ１２６に入る。シリンダ１２６内で、混合物は、燃料とさらに混合され、燃焼し、エンジン１００に有用な仕事、熱、及び排気ガスを生成する。各シリンダ１２６からの排気ガスは、排気システム１３０に集められ、タービン１０４に送られる。タービン１０４を通り抜ける排気ガスは、コンプレッサ１０６によって消費される仕事を行う。
【００１１】
排気システム１３０の排気ガスの一部は、タービン１０４を迂回し、EGRガス供給通路１４２に入る。通路１４２に入る排気ガスは、吸気システム１２４に再循環される排気ガスである。再循環排気ガスは、EGRクーラー１３６で冷却され、量がEGRバルブ１３８によって調整され、そしてこのガスは、ミキサ１５０でITH１１８から出てきた給気空気と混合するように連結点１４６に送られる。
【００１２】
ミキサ２００は、図２ないし図５で示されている。ミキサ２００は、吸気導管（エルボウとして示される）２０２に挿入されミキサ組立体２０４を形成する。ミキサ組立体２０４は、エルボウ２０２に形成された空気入口開口部２０６、ミキサ２００に形成されたEGRガス開口部２０８、及びエルボウ２０２に形成されたミキサ出口２１０を有する。ミキサ組立体２０４はミキサ２００及びエルボウ２０２が一緒に、図１に示されるミキサ１５０と同種の機能を行う、即ち両者とも空気と排気ガスを混合する。ミキサ組立体２０４は、また、他のエンジン部品に流体連通するための機能上のインターフェースを提供できる。
【００１３】
エルボウ２０２を含む組立体２０４が図示され、ミキサ２００がエンジンの作動に最も有利になる形態を示している。エルボウ２０２は、均質混合物の形成を妨げ易い９０度湾曲部を含む。ミキサ２００を使用すると、EGRガス開口部２０８を通ってミキサ２００に入る排気ガスと空気入口開口部２０６を通って組立体２０４に入る空気が出口２１０で均質に混合される。
【００１４】
ミキサ２００は、EGRガス開口部２０８を形成しエルボウ２０２から突出している入口ポート２１２を含む。入口ポート２１２は、排気ガスを運ぶホース（図示せず）を入口ポートに接続可能にする形態で示されるが、ミキサへの排気ガスを供給する他の形態及びモデルでもよい。エルボウ２０２は、ミキサ２００の入口ポート２１２部分に適合するよう配置されているカラー２１４を形成し、これらの間を支持及びシールする。ミキサ２００の分割部２１７は、全体として角のある端を有する、”涙状”形状であり、しかしながら他の形態でもよい。”涙状”すなわち風翼形状は、ミキサ２００の周りを進む空気に対して、与える抗力及び圧力損失がより少ない。分割部２１７は、外側パイプ２０３に配置され、中心通路２１６を形成する。分割部２１７は、また、外側パイプ２０３内で中心通路２１６のいずれか一側面上の、第１側路２１８及び第２側路２２０を再分割で形成する。中心通路２１６の出口２１６’、２１８’及び２２０’、第１側路２１８、及び第２側路２２０は、それぞれ、エルボウ２０２の内部通路空間２２２内に配置される。出口２１６’、２１８’及び２２０’は、出口のより高い端が出口のより低い端よりも吸気導管２０２の入口２０６により近くなるように傾斜させられている。
【００１５】
排気ガスが中心通路、第１側路、第２側路、２１６、２１８、及び２２０の各々でミキサ２００を出られるよう通す開口部は、エルボウ２０２の内部通路２２２内で異なる相対高さで配置されるのが好ましい。中心通路出口２１６’は、図２で示されるように、通路２１６、２１８、２２０の開口部の下端点に配置された基準点Dから測定した平均高さｈ１を有する。出口２１８’の平均高さ位置は、そこからｈ１が測定される基準部分からの高さｈ２でありｈ２はｈ１より低い。同様に、出口２２０’は、ｈ１且つｈ２が測定される同じ基準部分から測定された平均高さｈ３を有しｈ３はｈ１且つｈ２より小さい。さらに、出口２１６’の最大高さは、出口２２０’の最大高さよりもより高く、出口２１８’の最大高さよりもより高い。
【００１６】
変形例として、中心通路の出口２１６、第１側路２１８、及び第２側路２２０を、内部通路空間２２２内の異なる場所に構成且つ配置してもよい。さらに、管２０２内で出口の数、場所及び高さは変更してもよい。
【００１７】
吸気導管７００に配置されミキサ組立体６０３を形成するミキサ６００の第２実施形態が、図６ないし図７に示される。分割部６０２は中心部６０２を含む。分割部６０２は、”涙状”すなわち翼切断面形状をとる。分割部６０２は、外側パイプ６０４内に配置される。分割部６０２は、接触の直径方向反対側の２本の線６０６（１つだけ見える）に沿って外側パイプ６０４と接し、この結果、分割部６０２と外側パイプ６０４との間に第１通路６０８及び第２通路６１０を形成してもよい。第３通路６１２は分割部６０２内に存在する。この方法では、外側パイプ６０４の流れ領域は、第１通路６０８、第２通路６１０、及び第３通路６１２の３部分に分割されている。第１実施形態と同様に、第１通路６０８、第２通路６１０、及び第３通路６１２の出口の平均高さは、互いに異なる。即ち、第１通路６０８、第２通路６１０、及び第３通路６１２の出口６０８’、６１０’、及び６１２’は、高さがずらされている。
【００１８】
外側パイプ６０４は、分割部６０２の部分が外側パイプ６０４の端６１４を越えて突出するように分割部６０２の長さより短い長さに切断される。外側パイプ６０４の端６１４は、第２通路６１０の第２エッジ６１８と異なる第１通路６０８の第１エッジ６１６を形成するように段がつけられる。第１エッジ６１６及び第２エッジ６１８の各々は、略半円形であり、外側パイプ６０４の長さに沿って、異なる長さ即ち換言すれば高さに沿って配置される。図示された実施形態では、第１エッジ６１６及び第２エッジ６１８の各々は、円形の外側パイプ６０４の円形切断面に対してある角度をなすように切断される。その上、ミキサ６００は、外側パイプ６０４の壁６２２の部分６２０が、第１通路６０８を取り囲む領域に沿って内側に傾き、第１通路６０８を流れる流体流の一部を分割部６０２に向って方向づけるという、これを通る流れを方向づける指向特性を有している。
【００１９】
内燃エンジンの吸気導管７００に取付けられたミキサ部分６００の部分断面図が、図７に示されている。吸気導管７００は、半径r及び中心線cを持つ円断面を有するが他の形状でもよい。また、この図で示されるミキサ部分６００は、EGRガス供給パイプ７０２を含む。EGRガス供給パイプ７０２は、例えば、EGRバルブ又はクーラーの出口ポート（どちらも図示せず）である、排気ガス源（図示せず）に接続されている。
【００２０】
エンジンの作動中、空気は吸気導管７００を通過する。吸気導管７００内の空気の流れは、全体が参照符号７０４で示される点線矢印によって示される。空気流れ７０４は、入口断面７０６で吸気導管７００の領域に入り、ミキサ６００の上方及び周りを通過し、出口断面７０８で吸気導管７００の領域を出る。作動中の時間に、排気ガスの流れは、EGRガス供給パイプ７０２を通ってミキサ６００に達する。排気ガスの流れは、全体が参照符号７１０で示される破線矢印によって示される。EGRガス供給パイプ７０２内の排気流７１０は、第１通路６０８、第２通路６１０、及び第３通路６１２を通ってミキサ６００を出る各分割流として、３分割流に分割されるのがのぞましい。３分割流は一緒に記述されるが、各々の流量は、第１通路６０８、第２通路６１０、及び第３通路６１２の各々の出口開口サイズに依存し、等しい量である必要はない。したがって、各流通路を出る各分割流は、他の流れと異なる流量を有することがある。
【００２１】
内燃エンジンと関連したEGRシステムのための排気ガスの流れを空気の流れと混合する方法のフローチャートが図８に示される。エンジンの排気システムの高圧の場所又は低圧の場所からの排気ガスの流れは、ステップ８０２でEGRバルブを通過する。排気ガスの流れは、高圧又は低圧でもよく、冷却されてもよい。排気ガスの流れは、ステップ８０４でミキサ組立体に送られる。ミキサ組立体を通過する間、排気ガスの流れは、ステップ８０６で２又は３以上の分割流に分けられる。排気ガスの２又は３以上の分割流の各々は、ステップ８０８で２又は３以上の流れ出口通路の１つに送られる。２又は３以上の分割流の各々は、ステップ８１０でそのそれぞれの流れ出口通路を通ってミキサ中に出てくる。ミキサに出てきた２又は３以上の分割流の各々はステップ８１２で吸気導管でミキサの上方及び周りを通り過ぎる空気の流れと異なる高さで混合される。吸入空気の流れ及び排気ガスの２又は３以上の分割流によって形成された混合物は、ステップ８１４で内燃エンジンに送られ、そして過程は内燃エンジンの作動のために必要に応じて繰り返される。
【００２２】
ミキサ組立体２０４、６０３は、導管２０２、７００内部の圧力損失を最小限に維持する一方、さまざまな流れ状態のもと排気ガスと吸入空気を混合する。排気ガスは、他の通路と異なった範囲の高さをもつ出口を有する各通路、複数通路に分割部で流れを分割することによって導管２０２、７００の内部に分配される。新しい流体が主な空気/流体に導入される３つの異なる高さを有することによって、垂直分布の制御が増大される（結果としてよりすぐれた混合となる）のが好ましい。また、ミキサ組立体２０４、６０３は、３つの放出高さによって、低運動量の排気流体が主な空気/流体に放出される前に容易に所望の高さに達することができるので、広い範囲に流体の入口速度で効果的混合を行うことができる。通路の断面領域を慎重に選択することによって、排気流体の流速を、分布（及び混合合力）の最大化及び圧力損失の最小化を達成できるように調節可能である。
【００２３】
本発明は、その思想又は本質的特長からはずれることなく他の特定の形態で具体的に実施することができる。上述した実施形態は、全ての態様において、単なる例示であり、制限的なものではない。したがって、本発明の範囲は、上述した説明ではなく特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲と均等の範囲内で行われる全ての変更は、これらの範囲内に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明による排気ガスと空気を混合するための流体ミキサを有する内燃エンジンのブロック図である。
【図２】図２は、本発明によるミキサの背面図である。
【図３】図３は、本発明によるミキサ組立体の側面図である。
【図４】図４は、本発明によるミキサ組立体の底面図である。
【図５】図５は、本発明によるミキサ組立体の正面斜視図である。
【図６】図６は、本発明によるミキサの変形実施形態の上面斜視図である。
【図７】図７は、本発明によるミキサ組立体の切取図である。
【図８】図８は、本発明による内燃エンジンのための空気と排気ガスの混合の方法のためのフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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